The long-term development of water quality in managed aquifer recharge - Organic matter removal and related redox reactions
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
G5 Artikkeliväitöskirja
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2025
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
59 + app. 61
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 3/2025
Abstract
Managed aquifer recharge (MAR) has become a widely applied method for drinking water production. Still, the long-term impacts of MAR on groundwater are often questioned. The research objective was to investigate the long-term impact of MAR in terms of water quality development in an area where surface water naturally infiltrates the ground. At the studied site in Hollola, Finland, infiltration has been ongoing for thousands of years—a much longer period than can be reached at built bank infiltration facilities or by laboratory tests. Water quality development was characterized by measuring temperature, organic and inorganic carbon (TOC, DOC, DIC), dissolved oxygen (DO), Fe and Mn from lake water and groundwater samples, and by calculating the carbon budget. Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) was used to determine the molecular composition of the organic matter. The water quality development was modeled with a 1D reaction transport model, and the parameter sensitivity of the model was tested by Generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE). The natural system showed water quality development to be similar to built bank infiltration plants, with 80–90% removal of organic matter. A temperature-mediated seasonal pattern in concentrations of DO, Fe, and Mn and a decrease in concentration variations in the aquifer were observed. The carbon budget calculation showed that 25% of the dissolved carbon entering the aquifer was organic, mainly originating from the lake. Of the inorganic majority, 31% originated from the lake bank. Based on FT-ICR MS results, the removal of organic matter in the aquifer was selective: the relative abundance of oxygen-containing species decreased, while the relative abundance of sulfur- containing species increased. The TOC and DO concentrations in the model were most sensitive to the seepage velocity, the hydrodynamic dispersivity, and the reaction rate parameters controlling the oxygen-related degradation of TOC in the lake sediment and the aquifer. In addition to these parameters, Mn and Fe concentrations were sensitive to reaction rate factors for the dissolution of Mn in the aquifer, but the result was less clear. It was concluded that a MAR system can remove organic matter over the long term without losing its capacity, which is a promising result for the long-term sustainability of MAR. The results also highlighted the role of lake bottom sediments in bank infiltration. When modeling MAR, a model for bank processes should be included. DIC measurements and carbon budget calculation provide a tool for characterizing the lake bank processes in future studies. Identifying the key parameters in the groundwater model provided useful guidance for the calibration of MAR models and highlighted the importance of good conceptual understanding and flow velocity estimation in field studies.Tekopohjaveden muodostaminen (MAR) on laajasti käytetty menetelmä talousveden tuotannossa. Kuitenkaan menetelmän pitkäaikaisvaikutuksia pohjaveteen ei täysin tunneta. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää veden laadun kehitystä alueella, jossa pintavesi luonnostaan imeytyy maaperään. Tutkimusalueella Hollolassa Suomessa, rantaimeytyminen pohjavesimuodostumaan on ollut käynnissä tuhansia vuosia — huomattavasti pitkäaikaisemmin kuin voidaan tutkia tekopohjavesilaitoksilla tai laboratoriotesteillä. Veden laadun kehitystä tutkittiin määrittämällä järvivedestä ja pohjavedestä lämpötila, orgaanisen ja epäorgaanisen hiilin pitoisuus (TOC, DOC, DIC), happipitoisuus (DO), Fe ja Mn, sekä laskemalla systeemin hiilitase. Orgaanisen aineksen molekyylirakenne määritettiin Fourier transform ion cyclotron resonance massaspektrometrillä (FT-ICR MS). Veden laadun kehitys mallinnettiin 1-ulotteisella reaktiivisella kulkeutumismallilla, ja mallin herkkyyttä eri parametreille tutkittiin Generalized likelihood uncertainty estimation -menetelmällä (GLUE). Luontaisessa rantaimeytymisessä veden laatu vastasi rakennettujen tekopohjavesilaitosten veden laatua. Orgaanisesta aineksesta poistui 80-90% ja veden laadussa oli havaittavissa lämpötilariippuvainen happi-, rauta- ja mangaanipitoisuuden vaihtelu. Hiilitaseen laskenta osoitti että 25% pohjavesimuodostumaan päätyvästä hiilestä oli orgaanista hiiltä ja pääosin järvivedestä lähtöisin. Epäorgaanisesta hiilestä 31% oli lähtöisin järven pohjasedimentin hajoavasta orgaanisesta aineesta. FT-ICR MS tulosten perusteella rantaimeytymisessä poistuivat tehokkaimmin happipitoiset yhdisteet, kun taas rikkipitoisten yhdisteiden suhteellinen osuus lisääntyi. Pohjavesimallinnuksen perusteella TOC ja DO pitoisuuden kehitys mallinnuksessa riippui voimakkaimmin virtausnopeudesta, hydrodynaamisesta dispersiviteetistä, ja orgaanisen aineksen hapellisesta hajoamiskertoimesta. Näiden lisäksi Fe ja Mn -pitoisuuksien kehitys oli riippuvaista orgaanisen aineksen reaktionopeuksista mangaanin kanssa, mutta tulos oli vähemmän selkeä. Johtopäätöksenä todettiin, että MAR on menetelmä, jolla orgaanista ainesta voidaan poistaa vedestä pitkäkestoisesti ilman että poistoteho heikkenee maaperässä. Tulos on menetelmän kestävyyden kannalta myönteinen. Tutkimuksessa korostui myös rantasedimenttien suuri vaikutus veden laatuun ja mallinnettaessa MARia, rantavyöhykkeen prosessit on sisällytettävä malliin. Hiilitaselaskennalla voidaan hahmottaa rantavyöhykkeen prosessien suuruus. Keskeisten parametrien tunnistaminen auttaa jatkossa MAR mallien kalibroinnissa ja osaltaan korosti pohjaveden perusvirtauskuvan ymmärtämisen ja veden virtausnopeuden arvioinnin tärkeyttä tekopohjaveden muodostamiseen tähtäävissä maastotutkimuksissa.Description
Supervising professor
Koivusalo, Harri, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, FinlandThesis advisor
Laine-Kaulio, Hanne, Dr., Aalto University, Department of Built Environment, Finland (years 2017-2020)Keywords
managed aquifer recharge, groundwater modelling, NOM, FT-ICR MS, GLUE, tekopohjavesi, pohjavesimallinnus, NOM, FT-ICR MS, GLUE
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Jylhä-Ollila, M., Laine-Kaulio, H., Niinikoski-Fußwinkel, P., Leveinen, J., Koivusalo, H. (2020). Water quality changes and organic matter removal using natural bank infiltration at a boreal lake in Finland. Hydrogeology Journal, 28, pp. 1–15.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202003132484DOI: 10.1007/s10040-020-02127-9 View at publisher
-
[Publication 2]: Jylhä-Ollila M., Laine-Kaulio H., Schilder J., Niinikoski-Fußwinkel P., Kekäläinen T., Jänis J., Koivusalo H. (2021). Carbon Budget and Molecular Structure of Natural Organic Matter in Bank Infiltrated Groundwater. Groundwater, 59 (5), pp. 644–657.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108258411DOI: 10.1111/gwat.13087 View at publisher
-
[Publication 3]: Jylhä-Ollila M., Kekäläinen, P., Koivusalo H. (2024). Parametrization and model development for simulating redox reactions related to degradation of natural organic matter in managed aquifer recharge. 24 pages. Submitted to the Journal of Hydrology, February 2024.
DOI: 10.2139/ssrn.4737916 View at publisher